PN结物理特性综合实验讲义
PN结的物理特性实验
量中。
LF356 是一个高输入阻抗集成运算放大 器, 用它组 成的 电流- 电压 变换器( 弱电 流放
大器) , 如图4 .1 .2 所示。其中虚线框内电阻 Zr 为电流- 电压 变换 器等 效输入 阻抗( 弱电
流放大器等效内阻) 。由图4 .1 .2 可知, 运算放大器的输出电压为
Uo = - K0 Ui
量作为已知值代入, 即可得到玻耳兹曼常数 k 。
为了 验 证 式( 4 .1 .2) 及 求 出 准 确 的 e/ k 常 数 , 在 实 际 测 量 中, 选 取 性 能 良 好 的
TIP31 型 硅三 极管( NPN 管) , 接 成 共 基 极 线 路。 实 验 中, 发 射 极 与 基 极 处 于 较 低 的 正
图4 .1 .2 电流- 电压变换图
[ ᇔ僂Ԡಞ] FD- PN- 2 型 PN 结物理特性测 定仪, 其 主要 组 成部 分 有电 源、数 字 电压 表 组 合装 置
( 包括±15 V 直流电源、1 .5 V 直流电源、三位半 数字电 压表、四位 半数 字电 压表) 及 实验 板一块( 由电路图、LF356 运算放 大器、印 刷电路 引线、多 圈电 位器、接 线 柱等 组成) , 带 3 根引线的 TIP31 型硅三极管, 温度计。 [ ᇔ僂ᇯ]
( 1) 将测得的 U1 和 U2 各对数据, 以 U1 为自变量, U2 作因变量, 分别代入: ①线性函
数 U2
=
a U1
+
b;
②乘幂函数 U2
=
a
Ub 1
;
③指数函数 U2
=
aexp(
b U1 )
,
求出各函数相应的 a
和b 值, 得出3 种函数的经验公式。
大学物理实验PN结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究讲义
PN 结正向压降温度特性及正向伏安特性的研究一、实验目的1．了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式，了解用PN 结测温的方法。
2．在恒流供电条件下，测绘PN 结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度和被测PN 结材料的禁带宽度。
3．了解二极管的正向伏安特性，测量波尔兹曼常数。
二、实验原理（一）PN 结正向压降与温度的关系理想PN 结的正向电流I F 和压降V F 存在如下近似关系 )exp(kTqV Is I F F = （1） 其中q 为电子电荷；k 为波尔兹曼常数；T 为绝对温度；Is 为反向饱和电流，它是一个和PN 结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数，可以证明])0(ex p[kT qV CT Is g r -= （2）（注：（1），（2）式推导参考 刘恩科 半导体物理学第六章第二节）其中C 是与结面积、掺质浓度等有关的常数：r 也是常数；V g (0)为绝对零度时PN 结材料的导带底和价带顶的电势差。
将（2）式代入（1）式，两边取对数可得11)0(n r F g F V V InT q kT T I c In q k V V +=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= （3）其中()rn F g InT q KT V T I c In q k V V -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=11)0( 这就是PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式，它是PN 结温度传感器的基本方程。
令I F =常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中，除线性项V 1外还包含非线性项V n1项所引起的线性误差。
设温度由T 1变为T 时，正向电压由V F1变为V F ，由（3）式可得[]rn F g g F T T q kT T T V V V V ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=1111)0()0( （4） 按理想的线性温度影响，V F 应取如下形式：)(111T T TV V V F F F -∂∂+=理想 （5） TV F ∂∂1等于T 1温度时的T V F ∂∂值。
半导体pn结的物理特性及弱电流测量实验
半导体pn结的物理特性及弱电流测量实验半导体pn结是常见的半导体器件之一，由p型半导体和n型半导体构成。
与其它半导体器件相比，它有很多特殊的物理特性。
首先，当p型半导体和n型半导体结合时，两种材料的掺杂离子会互相扩散，导致接触面区域形成一个空间电荷区。
这个区域中没有载流子，因此是不导电的。
在pn结正侧和负侧形成了电位差，负侧形成了减小电位相对于正侧，就形成了内建电场。
这个电场会阻止载流子（即电荷）通过pn结。
当向pn结外加电压时，如果外加电压与内建电场方向相反，则内部电场减弱，载流子的移动就更容易了，流动性能增强；反之外部电场增强内部电场，丝毫不利指导电流的流动，参极熑阻挡作用，这就是pn结的整流特性，即所谓的势垒效应。
由于pn结的势垒效应，它可以将电流的方向限制在一个方向上，使其变成单向导电，即只有在正向电压下才能导通，反向电压下是不导通的。
这个特性非常有用，例如在电子电路中可以用它来作为整流器、稳压器、放大器等器件。
此外，由于pn结的导通特性，其本身也可以被用来制造发光二极管、太阳能电池等器件。
在弱电流测量实验中，pn结也被广泛应用。
由于pn结在反向偏置时具有可靠的硬特性，可以被用来作为电流表的电压比较器，在电流表中起到非常重要的作用。
这种电压比较器又称为伏安电路，可以将电流转换成电压，测量微弱电流。
具体而言，电流I进入测量电路，经过一个电阻R后进入远端的伏安电路（即pn结），由于其反向偏置，只有微小的正向漏电流I流经伏安电路，并引起一个微小的电压降U，这个电压降就是I通过伏安电路时所产生的电势差，按照欧姆定律，U/R=I，即可转化为电流的大小。
通过这种方法，研究者可以测量非常微小的电流，比如常常需要测量光电器件、二极管、甚至可以用来研究生物体内的电流等。
总之，半导体pn结的物理特性和其在弱电流测量实验中的应用对于电子学研究和工程实践具有非常重要的意义。
PN结的物理特性—实验报告
半导体PN 结的物理特性实验报告姓名：陈晨 学号：12307110123 专业：物理学系 日期：2013年12月16日 一、引言半导体PN 结是电子技术中许多元件的物质基础具有广泛应用，因此半导体PN 结的伏安特性是半导体物理学的重要内容。
本实验利用运算放大器组成电流-电压变换器的方法精确测量弱电流，研究PN 结的正向电流I ，正向电压U ，温度T 之间的关系。
本实验桶过处理实验数据得到经验公式，验证了正向电流与正向电压的指数关系，正向电流与温度的指数关系以及正向电压与温度的线性关系，并由此与计算玻尔兹曼常数k 与0K 时材料的禁带宽度E ，加深了对半导体PN 节的理解。
二、实验原理 1、 PN 结的物理特性（1）PN 结的定义：若将一块半导体晶体一侧掺杂成P 型半导体，即有多余电子的半导体，另一侧掺杂成N 型半导体，即有多余空穴的半导体，则中间二者相连的接触面就称为PN 结。
（2）PN 结的正向伏安特性：根据半导体物理学的理论，一个理想PN 结的正向电流I 与正向电压U 之间存在关系 ①，其中I S 为反向饱和电流，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，e 为电子电量。
在常温（T=300K ）下和实验所取电压U的范围内， 故①可化为 ②，两边取对数可得 。
（3）当温度T 不变时作lnI-U 图像并对其进行线性拟合，得到线性拟合方程的斜率为e/kT ，带入已知常数e 和T ，便得玻尔兹曼常数k 。
2、反向饱和电流I s（1）禁带宽度E ：在固体物理学中泛指半导体或是绝缘体的价带顶端至传导带底端的能量差距。
对一个本征半导体而言，其导电性与禁带宽度的大小有关，只有获得足够能量的电子才能从价带被激发，跨过禁带宽度跃迁至导带。
（2）根据半导体物理学的理论，理想PN 结的反向饱和电流Is 可以表示为③，代入②得 ，其中I 0为与结面积和掺杂浓度等有关的常数，γ取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取γ=3.4，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度．E 为0K时材料的禁带宽度。
pn结的特性实验报告
pn结的特性实验报告PN结的特性实验报告引言：PN结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型半导体和N型半导体组成。
在本次实验中，我们将通过实验来研究PN结的特性，包括正向偏置、反向偏置和截止电压等。
通过实验数据的分析，我们可以更好地理解PN结的工作原理和特性。
实验方法：1. 实验仪器和材料：- P型硅片和N型硅片- 直流电源- 电压表- 电流表- 变阻器- 连接线等2. 实验步骤：1) 将P型硅片和N型硅片连接起来，形成一个PN结。
2) 将正极连接到P型硅片，负极连接到N型硅片，进行正向偏置实验。
3) 测量正向电流和正向电压的关系。
4) 将正极连接到N型硅片，负极连接到P型硅片，进行反向偏置实验。
5) 测量反向电流和反向电压的关系。
6) 根据实验数据分析PN结的特性。
实验结果和分析：1. 正向偏置实验：在正向偏置实验中，我们将电压从0V逐渐增加，并测量相应的电流。
实验数据显示，当电压低于PN结的截止电压时，电流非常小，接近于0。
随着电压的增加，电流迅速增加，符合指数增长的特性。
这是因为在正向偏置下，PN结的载流子被注入并迅速扩散，形成电流。
2. 反向偏置实验：在反向偏置实验中，我们将电压从0V逐渐减小，并测量相应的电流。
实验数据显示，当电压低于PN结的截止电压时，电流非常小，接近于0。
然而，当电压超过截止电压时，电流急剧增加。
这是因为在反向偏置下，PN结的耗尽层宽度增加，电流主要由漏电流组成。
3. 截止电压：通过实验数据的分析，我们可以得到PN结的截止电压。
在正向偏置实验中，当电流开始迅速增加时，我们可以得到PN结的截止电压。
同样，在反向偏置实验中，当电流开始急剧增加时，也可以得到PN结的截止电压。
通过多次实验得到的数据可以取平均值，提高结果的准确性。
结论：通过本次实验，我们成功研究了PN结的特性。
正向偏置下，PN结的电流随电压增加而指数增长；反向偏置下，PN结的电流在低于截止电压时非常小，但在超过截止电压后急剧增加。
PN结物理特性及玻尔兹曼常数的测量实验讲义
11.待测传感器：TIP31传感器（带散热板的功率三极管）一个、PN结传感器一个（最佳工作电流为100μA）
12.实验加热井：用于传感器加热，可同时放入3-4个传感器
【预习思考题】
1.查阅相关资料，简述PN结的构成和物理特性，以及三极管内部载流子的运动特点。
2.在用基本函数进行曲线拟合求经验公式时，如何检验哪一种函数是最佳拟合？
【实验目的】
1.在室温时，测量PN结电流与电压关系，证明此关系符合指数分布规律。
2.改变加热井温度，测量玻尔兹曼常数。
3.学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流。
4.测量PN结电压与温度关系，求出该PN结温度传感器的灵敏度。
5.计算半导体硅材料在0K时的近似禁带宽度。
【实验原理】
1.PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量
1
2
...
16
δ
r
a、b
a=，b=
a=，b=
a=，b=
由表1处理后的数据进行判断，线性函数、乘幂函数和指数函数的拟合中哪一种数据拟合最好，并由此说明PN结扩散电流-电压关系遵循的分布规律。
3.取最好的函数拟合结果计算玻尔兹曼常数，并将其与公认值 J/K比较计算百分偏差。
（二）根据PN结的 关系求PN结温度传感器的灵敏度S，计算硅材料0K时的近似禁带宽度
PN结物理特性及玻尔兹曼常数的测量
半导体PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一，PN结也是很多半导体器件的核心，PN结的性质集中反映了半导体导电性能的特点。PN结所具有的半导体特有的物理现象，一直受到人们的广泛重视。用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流，可以测量出PN结扩散电流与电压关系，证明此关系遵循指数分布规律，并较精确地测出玻尔兹曼常数。PN结构成的二极管和三极管的伏安特性与温度密切相关，利用这一特性可制成PN结温度传感器，包括二极管温度传感器和三极管温度传感器，以及集成电路温度传感器，这类传感器具有灵敏度高、响应快、体积小等特点，在自动温度检测等方面有广泛的应用。本实验中可以通过测量PN结正向电压UF与热力学温度T的关系，求得该传感器的灵敏度，并近似求得0K时硅材料的禁带宽度。
半导体pn结的物理特性及弱电流测量
半导体pn结的物理特性及弱电流测量半导体 PN 结的物理特性：1. 堆积区与耗尽区：在 PN 结中，PN 结两侧有一个堆积区和一个耗尽区。
堆积区是在 PN 接触处的一侧，其中 N 区的自由电子会向 P 区扩散，而 P 区的空穴会向 N 区扩散。
耗尽区是在堆积区的另一侧，其中电子和空穴被扩散后形成的正负离子互相吸引，形成一个没有可自由移动电荷的区域。
2. 正向偏置：当在 PN 结上施加正向电压时，电子从 N 区向 P 区移动，空穴从 P 区向 N 区移动，导致堆积区的宽度变窄。
此时电流从 P 区流向 N 区，称为正向电流。
3. 反向偏置：当在 PN 结上施加反向电压时，电子被吸引进 N 区，空穴被吸引进 P 区，导致堆积区的宽度增加。
这时几乎没有电流通过 PN 结，称为反向电流。
当反向电压过大时，会发生击穿现象，此时电流急剧增加。
4. PN 结的导电特性：在正向偏置下，PN 结导电特性近似于理想二极管，正向电流随着正向电压的增加呈指数型增长。
在反向偏置下，PN 结导电特性近似于理想断路器，基本没有电流通过。
弱电流测量：弱电流测量是指对非常小的电流进行测量。
由于电流非常微弱，存在一些测量上的困难和限制。
常见的弱电流测量方法有以下几种：1. 电流放大：由于弱电流不能直接测量，通常需要将其放大到可以测量的范围。
放大器可以选择放大电流，提高信号的幅度。
2. 高阻抗电路：在测量弱电流时，需要使用高阻抗电路，以最大程度地减小电流的流失。
高阻抗电路可以降低电流流过测量电路时的电压降，从而减小电流的误差。
3. 屏蔽环境干扰：由于弱电流非常微弱，容易受到环境中的电磁干扰影响。
屏蔽环境干扰可以采取一些措施，例如使用屏蔽罩、信号隔离等，减小干扰对弱电流测量结果的影响。
4. 温度控制：温度的变化也会对弱电流测量产生影响。
通常需要对测量环境进行温度控制，确保测量的稳定性和准确性。
需要注意的是，弱电流测量需要仪器设备的高灵敏度和高精度，同时也需要严密的实验条件和精确的操作技巧。
pn结特性实验报告
pn结特性实验报告PN结是P型和N型半导体材料接触而形成的结，是半导体器件中最基本的一种结构之一。
PN结的特性非常重要，对于理解和应用半导体器件非常关键。
本实验主要通过测量PN结的伏安特性曲线，研究PN结的整流作用和反向击穿特性。
实验仪器包括PN结二极管、直流电压源、直流电流表、电阻箱等。
首先按照电路图连接好实验电路，然后将直流电压源的电压调节到0V，将直流电流表改为电压测量模式，并设置合适的量程。
然后逐步增加直流电压源的电压，并记录PN结的电压和电流值。
在改变电压的同时，可以观察PN结上是否有发光现象，以及发光强度的变化。
实验结果显示，当外加电压为正向时，即P端连接正电压，N端连接负电压，PN结的电流非常小，大约在10^-6量级以下。
这是因为PN结的整流作用，电子由N端向P端流动，而空穴由P端向N端流动，形成了电流。
此时PN结处于正向偏置状态。
而当外加电压为反向时，即P端连接负电压，N端连接正电压，PN结的电流非常大，大约在10^-3量级以上。
这是因为反向击穿现象的发生，电子和空穴在PN结处以较高的速度相遇复合，形成漫射电流。
此时PN结处于反向偏置状态。
需要注意的是，过高的反向电压会导致PN结的击穿，从而破坏PN结。
实验中还观察到了PN结的发光现象。
在正向偏置状态下，电流随着电压的增加而增加，当电压达到正向击穿电压时，PN结开始发光，并逐渐增强。
这是因为PN结发生辐射复合，使得能量得以转移为光子。
发光强度与电流强度成正比。
通过本次实验，我深入了解了PN结的特性。
PN结不仅可以实现整流作用，还可以实现发光效果。
在实际应用中，PN结被广泛应用于半导体器件中，比如二极管、LED和激光器等。
PN结物理特性综合实验
成都信息工程学院物理实验报告姓名： 蔡青 专业： 班级： 学号： 实验日期： 2007-9-1下午 实验教室： 5102-1 指导教师： 【实验名称】 PN 结物理特性综合实验 【实验目的】1. 在室温时，测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律2. 在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流4. 测量PN 结电压与温度关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度5. 计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】半导体PN 结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：××× 【实验原理】1．PN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足：]1)/[exp(0-=kT eU I I (1)当()exp /1eU kT >>时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：0exp(/)I I eU kT = (2)也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。
若测得PN 结I U -关系值，则利用(1)式可以求出/e kT 。
在测得温度T 后，就可以得到/e k ，把电子电量e 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。
实验线路如图1所示。
2、弱电流测量LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。
其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等效输入阻抗。
运算放大器的输入电压0U 为：00i U K U =- (3)式(3)中i U 为输入电压，0K 为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻f R →∞时的电压增益（fR 称反馈电阻）。
因而有：0(1)i i s ffU U U K I R R -+==(4)由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗x Z 为1i f f x sU R R Z I K K ==≈+ (5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流s I 与输出电压0U 之间的关系式，即：图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图图2 电流－电压变换器i s frU UI Z R ==-(6)只要测得输出电压0U 和已知f R 值，即可求得s I 值。
(完整版)PN结的特性
PN结的特性实验目的与实验仪器【实验目的】1）研究PN结正向压降随温度变化的基本规律2）学习PN结测温的原理和方法3）学习一种测量玻尔兹曼常数的方法【实验仪器】DH-PN-2型PN结正向特性综合实验仪、DH-SJ温度传感实验装置实验原理（限400字以内）1）理想的PN结正向电流I F和压降U F之间满足关系式：I F=I S[e qU FkT−1]。
考虑到常温下，Ktq=0.016V,则理想的PN结正向电流I F和压降U F之间满足近似关系式：I F=I S e qU FkT。
其中，q为电子电荷，k为玻尔兹曼常量，T为热力学温度，I S为反向饱和电流，它是一个和PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数，I S=CT r e−qU g(0)kT,其中，C是与结面积、掺杂浓度有关的常数，r是常数，其数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系（通常取3.4），U g(0)为0K时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。
2）将I S带入I F式中，两边取对数，得到：U F=U g(0)−(kq lnCI F)T−kTqlnT r=U l+U nl,其中U l=U g(0)−(kq lnCI F)T，U nl=−kTqlnT r。
这就是PN结正向压降作为电流和温度的函数表达式，是PN结温度传感器的基本方程。
3）对于杂质全部电离、本征激发可以忽略的温度区间，根据对U nl项所引起的线性误差的分析可知，在恒流供电条件下，PN结的U F对T的依赖关系主要取决于线性项U l，即正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是PN结测温的依据。
U F−T的线性度在高温端优于低温端，这是PN结温度传感器的普遍规律。
实验步骤1．实验系统的检查与连接“加热电流”、“风扇电流”都置“关”，插好Pt100温度传感器和PN结温度传感器，PN结引出线分别插入测试仪上的+V、-V、+I、-I。
2．玻尔兹曼常数k的测定a)PN结I-U关系的测量I F=I S e qU FkT式表明，PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。
pn结特性实验报告
pn结特性实验报告PN结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型和N型两种半导体材料组成。
通过合理的掺杂工艺，P型材料中掺入三价掺杂剂，N型材料中掺入五价掺杂剂，使得PN结具有独特的电学特性和器件功能。
而本次实验旨在研究PN结的特性，并通过实验数据验证PN结的一些基本特性。
实验步骤如下：1. 准备实验器材与元件：我们需要准备的实验器材包括电流源、电压源、台式电压表、数字万用表和示波器等。
而元件方面，可选择硅（Si）或锗（Ge）为半导体材料，并分别制备P型和N型材料单晶体。
2. 制备PN结：首先，将P型和N型材料片分别放入刻有浅浩深度的腐蚀液中进行腐蚀，以去除表面的氧化层。
然后，分别用净化液进行洗涤，使片面维持清洁无杂质状态。
接下来，将两片材料通过高温扩散或涂覆方式粘接在一起，形成PN结结构。
3. 测量I-V特性曲线：使用电流源和电压源连接到PN结，依次改变电流和电压的大小，测量不同电压下的电流值。
将实验得到的I-V数据记录下来，并绘制出I-V特性曲线。
4. 测量C-V特性曲线：切换到电容模式，依然使用电压源和电流源连接到PN结，逐渐增加电压的大小，并测量得到不同电压下的电容值。
将实验得到的C-V数据记录下来，并绘制出C-V特性曲线。
实验结果与数据分析：从实验数据可以得知，PN结的I-V特性曲线通常呈现出非线性的特点。
在低于开启电压的情况下，PN结的电流非常微弱，近似于零电流。
一旦开启电压达到一定阈值，PN结将出现快速增加的电流。
而在反向电压下，PN结的电流保持较小的值。
通过对I-V曲线的分析，我们可以得知PN结的整流特性。
具体来说，当PN结正向偏置时，导通电流会迅速增加，这意味着PN结可以作为半导体整流器件使用。
而反向偏置时，可以发现PN结具有一定的阻断能力，可作为保护电路使用。
同时，C-V曲线也能提供有关PN结的一些信息。
当电压的振幅增加时，PN结的电容值将增大。
这是因为在高反向电压下，空穴和电子会被强烈地吸引到PN结中，从而增加了电容。
大学物理实验课件 实验5.3 PN结的特性
实验5.3 PN结的特性物理系：张师平北京科技大学物理系张师平引言•PN结温度传感器具有灵敏度高、线性好、热响应快和体小轻巧等特点，广泛应用于温度数字化、温度控制以及用微机进行温度实时讯号处理等方面。
•目前，结型温度传感器主要以硅为材料，原因是硅材料易于实现功能化，即将测温单元和恒流、放大等电路组合成一块集成电路。
北京科技大学物理系张师平1.研究PN结正向压降随温度变化的基本规律。
2.学习用PN结测温的方法。
3.学习一种测量玻尔兹曼常数的方法。
北京科技大学物理系张师平北京科技大学物理系张师平实验原理——PN结的I-V特性北京科技大学物理系张师平实验仪器•QS-J型PN结正向压降温度特性实验组合仪北京科技大学物理系张师平测量1.测定玻尔兹曼常数k——测得常温下Si管PN结的I F-V F关系，并将所得到的结果与标准值k=1.3807×10-23J/K相比较。
2.V F(T R)的测量：开启测试仪电源，预热数分钟后，将“测量选择”开关（以下简称K）拨到IF ，由“IF调节”使I F=50μA。
再将K拨到V F，记下V F(T R)值，再将K置于ΔV，调节ΔV使ΔV=0。
北京科技大学物理系张师平3.测定ΔV～T曲线：取走冰瓶，开启加热电源（指示灯即亮），逐步提高加热电流进行变温实验，并记录对应的ΔV和T，至于ΔV、T 的数据测量，可按ΔV每改变10mV(Si)或5mV(Ge)读取一组ΔV、T，这样可减小测量误差。
应该注意：在整个实验过程中，升温速率要慢，且温度不宜过高，Si管测量升温（室温～85℃），Ge管测量降温（45℃～室温）。
4.求被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S（mV/℃）。
做ΔV～T曲线，其斜率就是S。
5.估算两种被测PN结材料的禁带宽度：E g(0)=qV g(0)北京科技大学物理系张师平注意事项：1.加热电流要缓慢增加，每分钟增加0.1A，直到0.5A为止，不再增加。
2.不要用手触碰PN结以及测温原件，以免损坏仪器。
PN结物理特性
电压U1和相应电压U2。在常温下U1的值约从0.3V至 0.42V范围每隔0.01V测一点数据，约测10多数据点， 至U2值达到饱和时（U2值变化较小或基本不变），
结束测量。在记数据开始和记数据结束都要同时记 录变压器油的温度，取温度平均值。
（3）．改变干井恒温器温度，待PN结与油温湿度
一致时，重复测量U1和U2的关系数据，并与室温
Rf
-
Is
Ko
+
Is
Zr
Ui
U0
（3）.PN结的结电压U与热力R2
RT R4
V2
3V
3.实验步骤
（1）U1为三位半数字电压表，U2为四位半数字电压
表，TIP31型为带散热板的功率三极管，调节电压的 分压器为多圈电位器，为保持PN结与周围环境一致， 把TIP31型三极管浸没在盛有变压器油干井槽中。变 压器油温度用铂电阻进行测量。 （2）在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间
在分析数据的时候，起初我没有把对扩散电流太小 （起始状态）及扩散电流接近或达到饱和时的数据 删去，所以总是得不出较好的结果。后来才发现， 之后删除那些数据拟合出来的图线较为完美了，得 到这些图像后我才真正了解了半导体的物理特性， 真正动手做一个实验和理论上研究实验原理是由本 质区别的。
谢谢观看！
二、关系测定，求PN结温度传感器灵敏度S，计算
硅材料0K时近似禁带宽度值。
1.通过调节电路中电源电压，使上电阻两端电压
保持不变，即电流I＝100μA。同时用电桥测量铂
电阻的电阻值，通过查铂电阻值与温度关系表， 可得恒温器的实际湿度。从室温开始每隔5℃－
10℃测一定值（即V1）与温度（℃）关系，求得
关系。（至少测6点以上数据）
平衡 PN 结 结构和物理特性
平衡 PN 结结构和物理特性在P型半导体与N型半导体的紧密接触交界处，会形成一个具有特殊电学性能过渡区域；平衡PN结——就是指没有外加电压、光照和辐射等的PN结。
1、 PN结的杂质分布状态○均匀分布：p型和n型区杂质浓度分布均匀—突变结○缓变分布：杂质浓度从界面向二侧逐渐提高—缓变结常用概念○ pn结结深-- pn结材料表面到pn结界面的距离，用x j表示。
○线性缓变结--结深附近杂质浓度分布梯度可用线性近似-线性缓变结，即dN(x)/dx|x=xj = C突变结近似--dN(x)/dx|x=xj =|C|○单边突变结—对于突变结，若p区掺杂浓度远高于n区掺杂浓度，或反之。
即：ＮＡ＞＞ＮＤ，用p＋n表示；ＮＤ＞＞ＮＡ，用pn＋表示。
★理论上通常将pn结按突变结或线性缓变结近似处理。
2、pn结基本物理特性基本特征及要点：空间电荷区(耗尽层)，自建电场，接触电势差，能带结构，载流子分布。
当半导体形成P-N结时，由于结两边存在着载流子浓度梯度，导致了空穴从P区到N区，电子从N区到P区的扩散运动。
对于P区空穴离开后，留下了不可移动的带负电荷的电离受主，这些电离受主没有正电荷与之保持电中性，因此，在P-N结附近P区一侧出现了一个负电荷区；同理，在P-N结附近N区一侧出现了由电离施主构成的一个正电荷区，通常把在P-N结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷，它们所存在的区域称为空间电荷区（也称之为势垒区）空间电荷区中的这些电荷产生了从N区指向P区，即从正电荷指向负电荷的电场，称之为内建电场（自建电场）。
在内建电场作用下，载流子作漂移运动。
电子和空穴的漂移运动方向与它们各自扩散运动的方向相反。
因此，内建电场起到阻碍电子和空穴继续扩散的作用。
室温附近，对于绝大部分空间电荷区，其中杂质虽然都已电离，但载流子浓度比起N区和P区的多数载流子浓度小得多，好像已经耗尽了，所以通常也称势垒区为耗尽层，即认为其中载流子浓度很小，可以忽略，空间电荷密度就等于电离杂质浓度。
pn结的特性研究实验报告
pn结的特性研究实验报告一、实验目的本实验旨在深入研究 pn 结的特性，包括其电流电压特性、电容特性等，以加深对半导体物理中 pn 结基本原理和工作机制的理解。
二、实验原理1、 pn 结的形成当 p 型半导体和 n 型半导体紧密接触时，由于两边载流子浓度的差异，会发生扩散运动。
p 区的空穴向 n 区扩散，n 区的电子向 p 区扩散，在接触面附近形成空间电荷区，也就是 pn 结。
空间电荷区产生内建电场，阻止扩散运动的进一步进行，当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，pn 结形成。
2、 pn 结的电流电压特性根据半导体物理理论，pn 结的电流电压关系可以用肖克利方程来描述：＼ I ＝ I_0 （e^｛＼frac{qV}｛kT}｝ 1) ＼其中，＼（I\）是通过 pn 结的电流，＼（I_0\）是反向饱和电流，＼（q\）是电子电荷量，＼（V\）是施加在 pn 结上的电压，＼（k\）是玻尔兹曼常数，＼（T\）是绝对温度。
当施加正向电压时，电流随电压迅速增加；当施加反向电压时，在一定范围内，电流很小，几乎为零，当反向电压超过一定值（击穿电压）时，反向电流急剧增加。
3、 pn 结的电容特性pn 结的电容包括势垒电容和扩散电容。
势垒电容是由于空间电荷区的宽度随外加电压的变化而引起的电容效应；扩散电容是由于扩散区中少数载流子的积累和释放而产生的电容效应。
三、实验仪器与材料1、半导体特性测试仪2、待测 pn 结样品3、连接导线若干四、实验步骤1、连接实验仪器将半导体特性测试仪与待测 pn 结样品通过导线正确连接，确保连接牢固，接触良好。
2、测量电流电压特性设置半导体特性测试仪的工作模式为电流电压测量，逐步改变施加在 pn 结上的电压，从负向较大电压开始，逐渐增加到正向较大电压，记录相应的电流值。
3、测量电容电压特性将测试仪切换到电容电压测量模式，同样改变施加的电压，记录不同电压下的电容值。
4、重复测量为了提高测量的准确性，对上述测量过程进行多次重复，取平均值作为最终结果。
【精品】半导体PN结的物理特性及弱电流测量实验报告
【精品】半导体PN结的物理特性及弱电流测量实验报告
一、实验目的
本实验的目的是要了解半导体PN结的物理特征，并通过相关实验来考察和测量PN结
的特性。
二、实验原理
PN结是半导体电子器件的最基本结构，由掺杂的德勒普及层组成，它们具有非常重要的物理和化学特性，被广泛用在微电子器件中。
它由半导体表面凹凸不平、绝缘体或金属
覆盖层、P型和N型掺杂层组成，当它处于正向偏置时，在P掺杂表面之间就会形成可以
用于传输电子的“及P全”，可以传输能量的“及N层”，成功实现一定电压后形成电流
流动，因而功能实现。
因此，熟悉和理解N插头所具有的物理特性，对于设计和制作微电
子器件有着重要的意义。
三、实验结果与分析
实验表明，本次实验通过测量PN结的电压-电流特性和功耗特性，获得了精确的数据。
发现当电压由零改变时，当电压较低时，流过PN结的电流较小，对结的功耗也较低，但
随着电压的增加，电流和功耗也随之增大，这说明具有较强的正序特性，而电压超过一定
限值后，电流和功耗就不再增加，这说明其具有稳定的拐点，可以有效的控制PN结的特性。
四、结论
本次实验通过测量PN结的电压-电流特性和功耗特性，获得了精确的数据，得出了相
应的结论：PN结具有较强的正序特性，具有稳定的拐点，可以有效控制其特性。
通过本次实验，我们不仅能够深入理解半导体PN结的物理特性，还可以更好地应用于微电子器件中。
（完整版）PN结的特性
（完整版）PN结的特性PN结的特性实验目的与实验仪器【实验目的】1）研究PN结正向压降随温度变化的基本规律2）学习PN结测温的原理和方法3）学习一种测量玻尔兹曼常数的方法【实验仪器】DH-PN-2型PN结正向特性综合实验仪、DH-SJ温度传感实验装置实验原理（限400字以内）1）理想的PN结正向电流I F和压降U F之间满足关系式：I F=I S[e qU FkT?1]。
考虑到常温下，Ktq=0.016V,则理想的PN结正向电流I F和压降U F之间满足近似关系式：I F=I S e qU FkT。
其中，q为电子电荷，k为玻尔兹曼常量，T为热力学温度，I S为反向饱和电流，它是一个和PN结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数，I S=CT r e?qU g(0)kT,其中，C是与结面积、掺杂浓度有关的常数，r是常数，其数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系（通常取3.4），U g(0)为0K时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。
2）将I S带入I F式中，两边取对数，得到：U F=U g(0)?(kq lnCI F)T?kTqlnT r=U l+U nl,其中U l=U g(0)?(kq lnCI F)T，U nl=?kTqlnT r。
这就是PN结正向压降作为电流和温度的函数表达式，是PN结温度传感器的基本方程。
3）对于杂质全部电离、本征激发可以忽略的温度区间，根据对U nl项所引起的线性误差的分析可知，在恒流供电条件下，PN结的U F 对T的依赖关系主要取决于线性项U l，即正向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是PN结测温的依据。
U F?T的线性度在高温端优于低温端，这是PN结温度传感器的普遍规律。
实验步骤1．实验系统的检查与连接“加热电流”、“风扇电流”都置“关”，插好Pt100温度传感器和PN结温度传感器，PN结引出线分别插入测试仪上的+V、-V、+I、-I。
2．玻尔兹曼常数k的测定a)PN结I-U关系的测量I F=I S e qU FkT式表明，PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。
pn结物理特性实验报告
pn结物理特性实验报告PN结物理特性实验报告引言：PN结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型半导体和N型半导体通过扩散形成。
PN结具有很多重要的物理特性，如整流、发光、放大等。
本实验旨在通过实际操作和测量，深入了解PN结的物理特性。
一、实验目的：1. 理解PN结的基本结构和形成原理；2. 掌握PN结的整流特性；3. 研究PN结的发光特性；4. 了解PN结的放大特性。
二、实验仪器和材料：1. PN结二极管；2. 直流电源；3. 示波器；4. 光敏二极管；5. 放大器。
三、实验步骤和结果：1. 整流特性实验：将PN结二极管连接到直流电源上，通过改变电压的正负极性，记录电流和电压之间的关系。
实验结果显示，当正向偏置时，电流呈指数增长；当反向偏置时，电流几乎为零，符合PN结的整流特性。
2. 发光特性实验：将PN结二极管连接到直流电源上，逐渐增加正向偏置电压，观察并记录发光现象。
实验结果表明，当正向偏置电压达到一定值时，PN结二极管会发出明亮的光线，这是由于电子和空穴在结区复合产生能量释放的结果。
3. 放大特性实验：将PN结二极管连接到放大器电路中，通过输入信号的变化，观察输出信号的变化。
实验结果表明，当输入信号的幅度较小时，输出信号经过放大后与输入信号相似；当输入信号的幅度较大时，输出信号会出现失真现象，这是由于PN 结的非线性特性导致的。
四、实验分析和讨论：1. 整流特性分析：PN结的整流特性使其在电子学中广泛应用于整流电路。
通过实验可以发现，当PN结处于正向偏置时，电流可以流动，符合正向导通的特点；而当PN结处于反向偏置时，电流几乎为零，符合反向截止的特点。
这种特性使得PN结二极管可以用于电源的整流。
2. 发光特性分析：PN结二极管的发光特性使其成为现代光电器件的重要组成部分。
通过实验可以发现，当正向偏置电压达到一定值时，PN结二极管会发出明亮的光线。
这是由于电子和空穴在结区复合产生能量释放的结果。
PN结的形成及特性讲课文档
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内电场E
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P
N
漂移运动
电场的的方向是从正离子往负离子走。电场的作用就会促进少数载流子的运动， 自由电子从低电位往髙电位走，空穴是从髙电位往底电位走，由于少子的运动很弱
PN结的形成及特性
第一页，共43页。
优选PN结的形成及特性
第二页，共43页。
载流子的漂移与扩散
以N型半导体为基片
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半导体PN结的物理特性
半导体PN结的物理特性简介：半导体PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一，它在实践中有着广泛的应用，如各种晶体管、太阳能电池、半导体制冷、半导体激光器、发光二极管都是由半导体PN结组成。
本实验主要研究的两个问题是：（1）测量PN结扩散电流与电压的关系；（2）研究PN结电压与热力学温度的关系。
一、实验目的（1）了解用运算放大器测量弱电流的原理和方法；（2）测量PN结结电压与电流关系，证明此关系符合指数分布规律，用作图法求玻尔兹曼常数；（3）测量PN结结电压与温度的关系，求出PN结温度传感器的灵敏度；（4）计算在绝对零度时，半导体材料的禁带宽度。
二、实验仪器：FD-PN-4 PN结物理特性实验仪三、 实验原理1．PN 结伏安特性及玻尔兹曼常数的测量半导体在常温下PN 结电压与电流有如下指数关系：0qU kTS I I e= （1）公式（1）中0I 为反向饱和电流，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，q 为电子电量，U 为电压。
本实验用常规方法测量时，当PN 结电压较小时，PN 结没导通，通过的电流很弱，普通电流表很难准确测量，无法验证真实的电压电流关系和测量玻尔兹曼常数，而采用集成运放对弱电流放大可解决这些问题。
2．弱电流测量实验装置如图1所示，所用PN 结由三极管提供，LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流－电压变换器，它可对弱电流放大并转换成电压形式。
其工作原理如图2所示，S I 为被测弱电流，r Z 为电路的等效输入阻抗，f R 为负反馈电阻，运放的开环放大倍数为0K ，运算放大器的输出电压为：00i U K U =- （2）由于运放输入阻抗i r 为无限大，反馈电阻f R 流过的电流近似为S I ，00001()(1)i S f ffU U U I U R R R K -==-+≈-（3）只要测得输出电压0U 和已知f R 值，即可求得S I ，将上式代入0qU kTS I I e =可得： 102qU kTU U Ae== （4）图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图图2 电流－电压变换器3．PN 结结电压be U 与热力学温度T 的关系图3当通过PN 结电流为恒定的100u A 时，be U 与T 有如下线性关系：be go U ST U =+，S 为PN 结温度传感器的灵敏度，go go E qU =为半导体在绝对零度时的禁带宽度。
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半导体PN结的物理特性及弱电流测量实验
实验目的：
1、在室温时，测量PN结电流与电压关系，证明此关系符合指数分布规律。
2、在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数。
3、学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流。
4、测量PN结电压与温度关系，求出该PN结温度传感器的灵敏度。
实验原理
1、PN结伏安特性及玻尔兹曼常数测量
由半导体物理学可知，PN结的正向电流-电压关系满足：
I=I0[exp(e U/kT)-1] (1)
式(1)中I是通过PN结的正向电流，I0是反向饱和电流，在温度恒定时为常数，T是热力学温度，e是电子的电荷量，U为PN结正向电压降。
由于在常温(300K)时，kT/e≈0.026v ，而PN结正向压降约为十分之几伏，则exp(e U/kT)>>1,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：
I=I0exp(e U/kT) (2)
也即PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。
若测得PN结I-U关系值，则利用(1)式可以求出e/kT。
在测得温度T后，就可以得到e/k常数，把电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k。
在实际测量中，二极管的正向I-U关系虽然能较好满足指数关系，但求得的常数k往往偏小。
这是因为通过二极管电流不只是扩散电流，还有其它电流。
一般它包括三个部分：[1]扩散电流，它严格遵循(2)式；[2]耗尽层符合电流，它正比于exp(e U/2kT)；[3]表面电流，它是由Si和SiO2界面中杂质引起的，其值正比于exp(e U/m kT),一般m>2。
因此，为了验证(2)式及求出准确的e/k常数，不宜采用硅二极管，而采用硅三极管接成共基极线路，因为此时集电极与基极短接，集电极电流中仅仅是扩散电流。
复合电流主要在基极出现，测量集电极电流时，将不包括它。
本实验中选取性能良好的硅三极管(TIP31型),实验中又处于较低的正向偏臵，这样表面电流影响也完全可以忽略，所以此时集电极电流与结电压将满足(2)式。
实验线路如图3所示。
图3 PN结扩散电源与结电压关系测量线路图
2、弱电流测量
过去实验中10-6A-10-11A量级弱电流采用光点反射式检流计测量，该仪器灵敏度较高约10-9A/分度，但有许多不足之处。
如十分怕震，挂丝易断；使用时稍有不慎，光标易偏出满度，瞬间过载引起引丝疲劳变形产生不回零点及指示差变大。
使用和维修极不方便。
近年来，集成电路与数字化显示技术越来越
普及。
高输入阻抗运算放大器性能优良，价格低廉，用它组成电流-电压变换器测量弱电流信号，具有输入阻抗低，电流灵敏度高。
温漂小、线性好、设计制作简单、结构牢靠等优点，因而被广泛应用于物理测量中。
LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图4所示。
其中虚线框内电阻Z r 为电流-电压变换器等效输入阻抗。
由图4可，运算放大器的输入电压U 0为： U 0=-K 0U i (3)
图4 电流－电压变换器
式(3)中U i 为输入电压，K 0为运算放大器的开环电压增益，即图4中电阻R f →∞时的电压增益，R f 称反馈电阻。
因为理想运算放大器的输入阻抗r i ∞→,所以信号源输入电流只流经反馈网络构成的通路。
因而有：
I S =(U i -U O )/R f =U i (I +K O )/R f (4) 由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗Z r 为
Z r =U i /I s =R f /(1+K 0)≈R f /K 0 (5)
由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流I s 输出电压U 0之间得关系式，即： I S =-0
0K U
(1+K 0)/R f =-U 0(1+1/K 0)/R f =-U 0/R f (6)
由(6)式只要测得输出电压U 0和已知R f 值，即可求得I S 值。
以高输入阻抗集成运算放大器LF356为例来
讨论Z r 和I S 值得大小。
对LF356运放的开环增益K 0=2×105，输入阻抗r i ≈1012
Ω。
若取R f 为1.00M Ω，则由(5)式可得：
Z r =1.00×106Ω/(1+2×105
)=5Ω
若选用四位半量程200mV 数字电压表，它最后一位变化为0.01mV ，那么用上述电流-电压变换器能显示最小电流值为：
（I S ）min =0.01×10-3V /(1×106Ω)=1×10-11
A
由此说明，用集成运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流，具有输入阻抗小、灵敏度高的优点。
实验内容：
be c U I -关系测定，并进行曲线拟合求经验公式，计算玻尔兹曼常数。
（1U U be =） 1、实验线路如图3所示。
图中U 1为三位半数字电压表，U 2为四位半数字电压表，TIP31型为带散热板的
功率三极管，调节电压的分压器为多圈电位器，为保持PN 结与周围环境一致，把TIP31型三极管浸没在盛有变压器油干井槽中。
2、在室温情况下，测量三极管发射极与基极之间电压U 1和相应电压U 2。
在常温下U 1的值约从0.3V 至0.42V 范围每隔0.01V 测一点数据，约测10多数据点，至U 2值达到饱和时(U 2值变化较小或基本不变),
结束测量。
3、曲线拟合求经验公式：运用作图法或最小二乘法，求出函数相应的a和斜率b值.
4、计算e/k常数，将电子的电量作为标准值代入，求出玻尔兹曼常数并与公认值进行比较。
实验数据：
室温条件下: -
θ= ℃
表1
以U1为自变量，LnU2为因变量，作图LnU2—U1，由表1可知， PN结扩散电流-电压关系遵循指数分布规律。
通过所作直线斜率带入下式，计算玻尔兹曼常数
k/e=bT = ×(273.15+ )= 4J/
CK
则
k/e e
k==
19
1.60210-
⨯
= K
/
J
将此结果与公认值k=1.381×10-23 K
/
J相比较。